JP5587833B2 - マルテンサイト系ステンレス鋼からなる材料を調製する方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルテンサイト系ステンレス鋼を対象とする。本発明は、更に特定的には、適当な加工によって剃刀の刃の製造に対して適したミクロ組織を生ずることができる、マルテンサイト系ステンレス鋼を対象とする。本発明は更に、剃刀の刃の製造に適した厚み及びミクロ組織を持つマルテンサイト系ステンレス鋼を加工する方法を対象とする。

髭剃りの過程は、刃の鋼を湿気と接触させるために、ステンレス鋼が剃刀の刃用に対する自然の選択となる。剃刀の刃は、典型的には非常に薄いゲージ（約０．２５ｍｍ（１０ミル）より薄い）のストリップに巻き取られ、そして適当な幅に切断されたステンレス鋼のコイルから製造される。コイル巻きされた鋼のストリップは、巻き戻され、鋭利にされ、硬化され、適当なコーティングが施され、そして皮膚に対して扱うことができるように刃の支持体に溶接される。

剃刀の刃の材料として使用される鋼は、好ましくは二次炭化物粒子を含み、これは、均一な一般的に球形であり、１５マイクロメートルより小さい均一な大きさを有し、そして均一に分布し、そしてこれらは高倍率で観察した場合、１００マイクロメートル平方当たり約５０〜２００個の炭化物粒子の濃度で存在する。鋼中の二次炭化物粒子が、均一な大きさ及び分布でない場合、例えば、鋼は、剃刀の刃の製造において使用される熱処理中に歪みを生じるだろう。熱処理中の鋼の歪みは、“ディッシュ”と呼ばれ、そして僅かな量のディッシュが、鋼を不良品にする原因となる。鋼は、好ましくは更に実質的に１５マイクロメートルを超える長さの一次炭化物又は炭化物の集合体を含まない。鋼が本質的に非金属質の微小介在物を含まず、そして偏析、加炭又は脱炭の領域を含まないことが更に好ましい。一次炭化物粒子及び非金属質微小介在物は、典型的には大きいサイズで、特質として脆く、そして鋼のマトリックスに対して低い結合力を有する。従って、これらは、鋼を鋭利にする工程中に“分裂（tear outs）”を起こす。分裂は、鋭利化工程中に、炭化物粒子又は介在物が鋼から引き抜かれ、髭剃りを行うときに感じるぎざぎざの表面を残す。

上記のミクロ組織の基準に合致することに加えて、剃刀の刃の製造に使用されるステンレス鋼は、更に個々の剃刀の刃の製造業者によって確立された更なる質的及び量的な基準を満足させ、そして髭剃りに対する適合性を証明しなければならない。これらの更なる基準のあるものは、鋼ストリップの試料が製造業者によって、鋭利にされた刃、付加的なマルテンサイト組織（即ち、増加された硬度）、及び非金属質の皮膜を含むように改変された後に評価される。

剃刀の刃は、通常ある種の高炭素のタイプ４２０ステンレス鋼のストリップから製造される。（タイプ４２０鋼は、全て重量パーセントで、最低０．１５の炭素、最大１．００のマンガン、最大１．００のケイ素、及び１２．０〜１４．０のクロム、の公称組成を有する。）剃刀の刃の材料として使用することができるタイプ４２０鋼は、上記のミクロ組織の要求に合致するように加工され得る化学的性質を有していなければならない。鋼は、更に典型的には約０．０８〜約０．１ｍｍ（３〜４ミル）の厚みの均一な薄いゲージの均一な幅のストリップに加工することが可能であり、そしてはっきりした表面の欠陥又は縁の浅割れを有しないものでなければならない。鋼のストリップは、典型的には何トン（何千ポンド）もの重量の巨大なインゴットから製造されるため、加工中に０．０８〜約０．１ｍｍ（３〜４ミル）の厚みを達成するために必要な全体的な厚みの減少は極端である。薄いゲージの最終的な材料を達成することが必要である一方、更に先に検討した他の要求にも合致することは、必然的に材料の加工を複雑にし、そして一連の適当な熱化学反応及び加工の管理を制約する。

従って、タイプ４２０及び他のステンレス鋼を、上記のミクロ組織の基準を満足しながら、均一な薄いゲージに加工する方法が必要となる。更に剃刀の刃用に対する適合性を証明する改良されたマルテンサイト系ステンレス鋼合金が必要となる。

本発明は、剃刀の刃の材料としての適用に対して適したゲージ、並びにミクロ組織及び他の特性を持つマルテンサイト系ステンレス鋼を製造するための方法を提供することによって先に記載した必要性を満足させる。この方法は、マルテンサイト系ステンレス鋼の溶解物の少なくとも一部分を、エレクトロスラグ再溶解（エレクトロスラグリメルティング）（ＥＳＲ）処理にかける工程を含む。ＥＳＲ処理に続く工程において、鋼は、鋼中で形成され得る全ての炭化物が溶解される最低の温度以上であって且つ鋼の無延性温度以下の温度に加熱される。鋼は、この温度で、鋼中の１５マイクロメートルより大きい長さの一次炭化物粒子の全てが溶解するのに充分な時間保持される。熱処理に引き続いて、鋼は、一連の熱間及び冷間圧延工程によって、所望するゲージ（剃刀の刃用に対して典型的には０．２５ｍｍ（１０ミル）より薄い）まで圧延される。鋼は、冷間圧延工程中に焼きなましして、鋼中の冷間加工組織を適当に再結晶させ、そして冷間圧延中の破断又は受容不可能な浅割れ（checking）を抑制することができる。

本発明の方法は、例えばタイプ４２０マルテンサイト系ステンレス鋼の化学組成を有する鋼に適用することができ、そして特に、少なくとも、全てが鋼の全重量に基づいた重量パーセントで、下記の元素：
０．６５ないし０．７０の炭素；
０ないし０．０２５のリン；
０ないし０．０２０の硫黄；
０．２０ないし０．５０のケイ素；
０．４５ないし０．７５のマンガン；
１２．７ないし１３．７のクロム；
０ないし０．５０のニッケル；及び
不可避的な不純物；
を含むタイプ４２０ステンレス鋼に良好に適している。

本発明は、更にある種の新規なマルテンサイト系タイプ４２０ステンレス鋼を対象とし、これは本発明の一部を構成し、そして、全てが鋼の全重量に基づいた重量パーセントで、下記の元素：
０．６５ないし０．７０の炭素；
０ないし０．０２５のリン；
０ないし０．０２０の硫黄；
０．２０ないし０．５０のケイ素；
０．０００２以上のホウ素及び０．０２以上の窒素のうち少なくとも一つ；
０．４５ないし０．７５のマンガン；
１２．７ないし１３．７のクロム；
０ないし０．５０のニッケル；及び
残部の鉄と不可避的な不純物；
からなる。このような鋼は、本発明の方法によって、１５マイクロメートルを超える長さの炭化物を実質的に含まず、そして高倍率で観察した場合、１００マイクロメートル平方の領域当たり平均５０〜２００個の炭化物粒子であるマイクロ組織を含むように首尾よく加工することができる。

当業者は、本発明の上記の詳細及び利益、並びに以下の本発明の態様の詳細な説明を考慮したとき、他の利益も認識するであろう。当業者は、更に本発明を使用する場合に、本発明の更なるこのような詳細及び利益を理解することができる。

本発明は、剃刀の刃用に適したステンレス鋼のストリップを製造するための方法を対象とする。このようなストリップの特徴は、均一な薄いゲージ（約０．２５ｍｍ（１０ミル）より薄い）並びに先に記載したミクロ組織及び他の特性を含む。加工した状態で、鋼ストリップは、好ましくは非金属質微小介在物及び大きい（１５マイクロメートルより大きい）一次炭化物及び集合した炭化物を実質的に含まないミクロ組織を有する。鋼ストリップは、更に好ましくは、概ね均一に分布した小さい二次炭化物を含み、そして表面が脱炭されておらず、そしてストリップは厳密な寸法公差（例えば、ゲージ、幅、ディッシュ、及び反りに対する公差）を保持しなければならない。典型的には、タイプ４２０マルテンサイト系ステンレス鋼が剃刀の刃用に使用される。タイプ４２０鋼は、通常０．２〜０．４重量パーセントの炭素を含むが、しかし剃刀の刃用のために製造される場合、有意に高い濃度の炭素を含むことができる。

発明者が研究の焦点としたものは、表１の基本及び目標の化学成分を有する高炭素のタイプ４２０ステンレス鋼であった。

実験は、表１の基本化学成分の範囲で、鋼中の大きい一次炭化物を溶解し、そして均一な二次炭化物の分布を生じさせるために必要な工程変数（温度、時間、等）を決定するために行った。表１の基本化学成分の範囲の材料のインゴットを、過大な縁の浅割れがなく、そして高温加工によって達成される好ましいミクロ組織を保持したままで、約０．０７６ｍｍ（約０．００３インチ）ゲージに圧延する加工管理を決定するために更なる実験が行われた。表１の基本仕様のタイプ４２０ステンレス鋼の、表２の実際の化学成分を有する、２個の約２２．７ｋｇ（５０ポンド）のＶＩＭヒート（heat）（ヒートＲＶ１６６１及びＲＶ１６６２）を調製した。

ヒートＲＶ１６６１からインゴットを鋳造し、室温まで冷却させ、次いで１２６０℃（２３００°Ｆ）で３時間、”その温度におけるその時間”（time-at-temperature：Ｔ.Ａ.Ｔ.）で再加熱してから熱間圧延した。ヒートＲＶ１６６２から鋳造されたインゴットは、熱間移動し、再加熱し、そして約３．６ｍｍ（０．１４インチ）の熱間圧延バンド（帯材：band）に圧延してから室温まで冷却させた。ヒートＲＶ１６６１からのインゴットの鋳造ミクロ組織は、多数の大きな炭化物を含んでいたが、ヒートＲＶ１６６２からの熱間圧延バンドの試料はそれを含んでいなかった。これを１２６０℃（２３００°Ｆ）に再加熱し、３時間のその温度におけるその時間で維持し、次いで約３．６ｍｍ（０．１４インチ）の熱間圧延バンドに圧延した後、ＲＶ１６６１材料のミクロ組織は、ヒートＲＶ１６６２のそれと同一であった。従って、１２６０℃（２３００°Ｆ）における３時間の熱処理は、空冷されたインゴット中に存在する一次炭化物を溶解し、そして熱間圧延バンド中の大きい一次炭化物の保持の問題に充分に対処した。

ヒートＲＶ１６６１及びＲＶ１６６２の材料から製造された約３．６ｍｍ（０．１４インチ）の熱間圧延バンドのミクロ組織は、脱炭されたマルテンサイトの外部層、並びに殆んどが残留オーステナイトからなり、そして１５〜２０％のマルテンサイト及び炭化物とみなされる結晶粒界相を含む内部からなっていた。熱間圧延バンドの材料は脆く、そして亀裂なしに冷間圧延することはできなかった。従って、ヒートＲＶ１６６２からの熱間圧延バンドの一部分を、その一部分を７６０℃（１４００°Ｆ）にゆっくりと加熱し、その温度を１０時間保持し、そしてゆっくりと冷却することによる箱なまし（box anneal）にかけた。この手順により、材料中のオーステナイト及びマルテンサイトはフェライト及び炭化物に分解した。箱なましされた熱間圧延バンドを、噴射仕上げ及び酸洗いして、表面のスケールを除去した。冷間圧延において相当な縁の浅割れが発生し、従って、熱間圧延バンドを耳切り（edge trim）して、そして７６０℃（１４００°Ｆ）で２分間のその温度におけるその時間で焼きなましした後、冷間圧延を繰り返した。この状態で、材料は熱間圧延バンドから約１．５ｍｍ（０．０６０インチ）に首尾よく冷間圧延された。短時間の焼きなまし工程は、約１．５ｍｍ（０．０６０インチ）の材料への冷間圧延における縁の浅割れの程度を有意に減少した。次いで冷間圧延された約１．５ｍｍ（０．０６０インチ）の材料を、耳切りし、７６０℃（１４００°Ｆ）で２分間のその温度におけるその時間で再度焼きなましし、そして約０．６１ｍｍ（０．０２４インチ）に冷間圧延した。約０．６１ｍｍ（０．０２４インチ）の材料を、耳切りし、そして焼きなましし、約０．２３ｍｍ（０．００９インチ）に冷間圧延し、耳切りし、そして焼きなましし、そして最終的に約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）に冷間圧延し、そして焼きなましした。最終焼きなまし後の約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）の材料のミクロ組織を、１５００×の倍率で図１に示す。材料中の一次炭化物は３時間の１２６０℃（２３００°Ｆ）における均熱中に溶解されてしまい、そして材料中の二次炭化物粒子が、最終ゲージへの圧延のそれぞれの段階において均一に、そして均質に分布され、剃刀の刃用に使用される場合、破断及び裂き傷を防止するために重要な特性が残存した。最終的なゲージにおける材料の清浄さも許容されるものであった。約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）ゲージの材料のミクロ組織（図１）は、剃刀の刃用に商業的に使用される慣用のステンレス鋼の試料において観察されるもの（図２）に対して有利に対比される。ヒートＲＶ１６６１及びＲＶ１６６２から製造される材料は、８０００×の倍率で観察した場合、１００マイクロメートル平方の面積当たり平均１８７個（ＲＶ１６６１）及び１５９個（ＲＶ１６６２）の炭化物粒子を含む。同様な方法で測定した慣用の材料に対する平均の炭化物粒子の数は、１６８個であった。従って、約１２６０℃（約２３００°Ｆ）以上で且つ鋼の固相線温度未満の温度での高温再加熱を、剃刀の刃用に適したミクロ組織を達成するために使用することができることが結論付けられた。バンドの破壊を伴なわず冷間圧延を容易にするために使用されるその後の低温の応力除去焼きなましは、１２６０℃（２３００°Ｆ）の再加熱によって達成されたミクロ組織に著しくは影響しなかった。

商業的規模の工場（ミル：mill）で製造され、そして圧延されたインゴットを更に評価した。約６．４トン（１４０００ポンド）の溶解物（溶解物０５７８６７）を、ＶＩＭによって表３に記載した目標及び実際の化学成分に調製した。溶解物を製造するためにＶＩＭを使用したが、溶解物を調製するためにいかなる他の適当な方法（例えばアルゴン酸素脱炭のような）も使用することができることは了解されよう。

溶解物から、２個の約３．２トン（７０００ポンド）のインゴットを鋳造した。１個の３．２トン（７０００ポンド）のインゴットを、約６７７℃（１２５０°Ｆ）で６時間のその温度におけるその時間で応力除去焼きなましにかけた。次いでインゴットをエレクトロスラグ再溶解（ＥＳＲ）にかけて、介在物を除去し、そしてインゴット中の均質性を増加した。ＥＳＲは、精製されるべき材料の電極を開放底型の精製容器中のスラグと接触させることを含む。電流は、電極及びスラグを含む回路を通して流れ、両方を加熱する。材料は、その加熱されたスラグとの接触点で溶解し、そして溶解した材料の液滴は、スラグを通って流れ、そして収集される。材料は、加熱された伝導性のスラグを通過し、そしてこれと接触する間に精製される。典型的なＥＳＲ装置の基本的な構成要素は、電力供給、電極送入機構、開放底式の水で冷却された容器、及びスラグを含む。使用される特定のスラグの種類は、精製される特定の合金に依存するものである。ＥＳＲ処理は公知であり、そして広く使用され、そしていかなる特定の金属又は合金に対しても必要なものである工程変数は、当業者によって容易に確認することができる。従って、ＥＳＲ装置の構築の方法又は操作の方式、或いは特定の合金に対して使用される特定の操作方法の更なる説明は必要ない。

本発明の方法で使用されたＥＳＲ処理は、インゴット中の偏析を減少し、そしてインゴットを急速に冷却することを可能にし、これによってインゴット中に形成される一次炭化物の大きさを制約する。より小さい炭化物は、インゴットの材料の固相線温度より低い温度で更に容易に溶解することができる。ＥＳＲ処理から得られたインゴットは、直径約３３ｃｍ（１３インチ）のものであった。ＥＳＲが使用されたが、真空アーク再溶解のような他の適当な再溶解技術を使用することができる。

エレクトロスラグ再溶解インゴットを、約６７７℃（１２５０°Ｆ）で８時間のその温度におけるその時間で応力除去焼きなましした。応力除去焼きなましによって、インゴットの残留応力はスラブの亀裂が防止されるまでに減少した。好ましくは、応力除去焼きなましは、インゴット中の炭化物を粗粒化するほど高くない温度で行われる。焼きなましされたインゴットの末端は、インゴットの重量を約２５％減少するように切断された。切断された末端は、一次炭化物を有効に溶解し、そしてインゴット中に二次炭化物を適当に分布するものである、ミルスケール（mill-scale）熱処理を開発するために使用された。次いで、焼きなましされたインゴットは、約１２３２℃±約１４°（２２５０°Ｆ±２５°）で１時間、最低のその温度におけるその時間で再加熱され、そして約１５×約８４ｃｍ（６×３３インチ）の断面の大きさのスラブに熱間圧延された。再加熱の温度は、軟化を防止するために、材料の固相線温度より低かった。次いでスラブを、約６７７℃（１２５０°Ｆ）で８時間のその温度におけるその時間で応力除去焼きなましした。焼きなまししたスラブを、続いて１２番粒子の輪郭型研磨機にかけて表面のスケールを除去し、そして縁の欠陥の全てを研磨によって除去した。

約１５ｃｍ（６インチ）のスラブから先に除去された末端試料を使用した実験は、１２６０℃（２３００°Ｆ）ないし約１３１６℃（約２４００°Ｆ）、そして好ましくは１２６０〜約１２８８℃（２３００〜２３５０°Ｆ）の範囲の温度で、少なくとも３時間のその温度におけるその時間が、ミル加熱材料の大きい（約４５０ｋｇ（１０００ポンド）以上）インゴット中の一次炭化物を溶解するために充分であることを示した。このような温度範囲が、更にいかなるタイプ４２０ステンレス鋼の大きいインゴット中の炭化物の溶解にも使用することができると考えられる。更に一般的には、いかなる合金の大きいインゴット中の一次炭化物も、インゴットを、少なくともインゴット中で形成し得る炭化物の全てを溶解する最低の温度以上で且つインゴットの材料の無延性温度以下の温度に供することによって適切に溶解することができると結論付けられる。特定の材料に対するこのような温度は、当業者によって、容易に決定することができる。インゴットは、炭化物を適切に溶解するのに充分な時間この温度に維持される。無延性温度より高い温度にさらされた材料は、一般的に、材料を満足に圧延することを可能にするには多すぎる液体を含むものである。材料の無延性温度は、材料の試料を次の条件下の張力にかけた場合に、ゼロの伸び（即ち、材料は伸びずに破断する）を示す温度である：長さ約１０．８ｃｍ（４．２５インチ）、直径６．３５ｍｍ（０．２５インチ）の材料の円柱形の棒を、約５５．６℃（１００°Ｆ）/秒で試験温度まで加熱し、温度を６０秒間保持し、そして１２７ｍｍ（５インチ）/秒のクロスヘッド分離速度で破断するまで引っ張る。

無延性試験を、溶解物０５７８７６から製造された約３３ｃｍ（１３インチ）のインゴットからの材料に、約１２３２、約１２４６、１２６０、及び約１２８８℃（２２５０、２２７５、２３００、及び２３５０°Ｆ）の無延性試験温度で行った。試験は、約３３ｃｍ（１３インチ）のインゴットの材料に対して、約１２０４℃（約２２００°Ｆ）の無延性温度を示した。然しながら、約３３ｃｍ（１３インチ）のインゴットを約１５ｃｍ（６インチ）のスラブに圧延した後、これは約１２８８℃（２３５０°Ｆ）の再加熱後に熱間圧延することが可能であった。これらの結果は、圧延によってインゴットの厚みを減少することは、無延性温度を増加させることを示す。非常に一般的な概算として、本発明の方法の炭化物溶解工程の温度を約２８℃（５０°Ｆ）増加することは、一次炭化物を適切に溶解するために必要なその温度におけるその時間を５０％減少するために、重要なことである。従って、約１２０４℃（２２００°Ｆ）で一次炭化物を溶解することは、許容できないほど長い時間を必要とするであろう。インゴットをその厚みの約５０％のスラブに圧延することは、無延性温度を低下させ、そして炭化物溶解工程を実質的により高い温度で、有意により短い時間で行うことを可能にする。

溶解物０５７８７６材料の約１５ｃｍ（６インチ）のスラブを、再加熱炉に送入し、そして約１２８８℃（２３５０°Ｆ）で３時間のその温度におけるその時間で再加熱し、次いで直ちに約３．０５ｍｍ〜約３．１８ｍｍ（０．１２０インチ〜０．１２５インチ）に熱間圧延し、そしてコイル巻きした。試料を、材料が約２５ｍｍ（約１インチ）の厚みである時の中間の棒状の段階で切断し、そしてＳＥＭによって分析した。一次炭化物又は大きい炭化物の集合体の徴候は検出されず、更に多くの介在物の存在もなかった。これにより、少なくとも約１２８８℃（約２３５０°Ｆ）の温度における３時間の保持が、加工された材料のミクロ組織中の一次炭化物を溶解するのに充分であることが確認された。液化は、炭化物溶解熱処理中に結晶粒界で起こったが、しかしこの事実は材料の熱間圧延又は熱間圧延バンドの品質に否定的に影響せず、これはある程度の初期の溶解が許容されることを示す。一次炭化物を適切に溶解するのに有効な”その温度におけるその時間（Ｔ.Ａ.Ｔ.）”は、炭化物が大きいほど長いものであった。炭化物の大きさは、典型的にはインゴットの大きさが増加するに従って、大きいインゴットが凝固中によりゆっくりと冷却するために、増加する。

次に、約３．０５ｍｍ〜約３．１８ｍｍ（０．１２０インチ〜０．１２５インチ）の材料のコイルを、約７４６℃（１３７５°Ｆ）の炉の中で４８時間、箱なましに供した。好ましくは、炉の温度は、炭化物の粗大化を避けるために７６０℃（１４００°Ｆ）を超えてはならず、そして”その温度におけるその時間”は、約７４６℃（１３７５°Ｆ）で１０時間のように少なくしてもよい。コイルは、冷間加工中の縁の浅割れ及び破断を避けるために必要に応じて縁の耳取りをされ、次いで約７４６℃（１３７５°Ｆ）で合計３６時間再度箱なましを行った。上記の箱なましのように、温度は、好ましくは７６０℃（１４００°Ｆ）を超えてはならない。箱なましを使用したが、例えばライン焼きなまし（line anneal）を使用することもでき、これは処理を早めるだろう。次いで、焼きなましされたコイルは、噴射仕上げ及び酸洗いされて、表面のスケール及び腐食が除去された。材料を所望する約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）ゲージに圧延するために、連続的に増大する冷間圧延工程とそれに続くライン焼きなまし工程を、必要に応じて浅割れを除去するための耳切りを伴って使用した。

ＥＳＲ工程は、先に記載した炭化物溶解の再加熱工程との関連において作用して、ミクロ組織から本質的に全ての一次炭化物粒子を除去し、そして大きい（約４５０ｋｇ（１０００ポンド）以上の）インゴット中に適切な二次炭化物の大きさ、形状、分布、及び濃度を創り出すと考えられる。エレクトロスラグ再溶解工程は、インゴットの純度を向上するだけでなく、炭素及び他の成分の偏析の濃度が減少した、更に均質で均一なインゴットを与える。ＥＳＲ工程によって達成された炭素の偏析の減少が、材料中の一次炭化物の大きさを減少すると考えられる。従って、ＥＳＲ処理は、純度及び均質さの増加、並びに一次炭化物の成長の阻害という利益を与える。より小さい大きさの一次炭化物は、１２６０〜約１２８８℃（２３００〜２３５０°Ｆ）の再加熱工程中に、より短い”その温度におけるその時間”で更に容易に溶解される。清浄なインゴットを製造するために、上記の方法ではＶＩＭ及びＥＳＲを使用したが、最終コイル中の微小介在物及び一次炭化物の同等の濃度を伴なって、低費用で高容積で、ＡＯＤ及びＥＳＲ法で置き換えることができると考えられる。

本発明の方法によって薄いゲージに加工される、別の化学成分のタイプ４２０鋼を使用して発生するミクロ組織に対する影響を測定するための実験を行った。表１の基本化学成分の範囲内で（ある僅かな例外を伴なって）、そして変更されたホウ素及び窒素濃度を有する高炭素のタイプ４２０材料の４個の約２２．７ｋｇ（５０ポンド）のＶＩＭインゴット（ＲＶ１６６３ないし１６６６）を、表４の化学成分で調製した。主たる目的は、表１の基本化学成分の範囲内のタイプ４２０材料に対するホウ素及び／又は窒素の添加の、一次炭化物含有率及び炭化物の分布に及ぼす影響を評価することであった。その”別の化学成分”は、窒素の添加及び／又はホウ素の添加量を、これらの元素の予期される最大の残留不純物の量より多く含んでいた。慣用のタイプ４２０材料に対する窒素及びホウ素の予期される最大残留不純物濃度は、それぞれ約０．０２及び０．０００４重量パーセントである。別の化学成分の三つのものは、０．０３より多く、約０．２０重量パーセントまでの窒素を含んでいた。別の化学成分の各々は、少なくとも０．０００４から約０．００６重量パーセントまでのホウ素を含んでいた。表１の基本化学成分及びヒートＲＶ１６６１の化学成分を、別の化学成分のヒートとの比較の目的で、表４に与える。

この変更された化学成分のヒートから形成されたインゴットを室温まで冷却させた。インゴットを熱間加工の準備として研削し、そして次いで約９８２℃（１８００°Ｆ）の炉に送入した。炉の温度を約１１２１℃（２０５０°Ｆ）に、そして最終的に１２６０℃（２３００°Ｆ）の設定点に増加した。先に説明したように、１２６０℃（２３００°Ｆ）の設定点温度はインゴット中の一次炭化物を溶解するものであることを発明者は確認している。炉の温度は、約９８２℃（１８００°Ｆ）及び約１１２１℃（２０５０°Ｆ）の中間温度で、１２６０℃（２３００°Ｆ）の設定点温度に増加する前に安定化された。別の化学成分のインゴットを、１２６０℃（２３００°Ｆ）で２時間保持して、インゴット中の一次炭化物を溶解させた。次いで約１５ｃｍ（６インチ）幅の鋼片を、圧延中の材料の亀裂を防止し、そして圧延機にかかる応力を減少させるために、１２６０℃（２３００°）の中間の再加熱を必要に応じて伴なって、一連の圧延工程を使用して約３．８ｍｍ（０．１５０インチ）ゲージの熱間圧延バンドに熱間圧延した。約３．８ｍｍ（０．１５０インチ）の目標ゲージに達した後、熱間圧延バンドを空気冷却し、次いでそれぞれの熱間圧延バンドを、窒素雰囲気中でバンドを収容した箱を２６０℃（５００°Ｆ）の炉に入れることによって箱なましに供した。炉の温度を、１時間当たり約２８℃（５０°Ｆ）の速度で７６０℃（１４００°Ｆ）まで増加し、そして７６０℃（１４００°Ｆ）で１０時間保持した。１０時間の期間の完了後、箱を１時間当たり約４２℃（７５°Ｆ）の速度で２６０℃（５００°Ｆ）まで冷却し、そして次いで室温まで冷却させた。箱なましされた熱間圧延バンドを、縁の耳切りをし、そして焼きなまし（７６０℃（１４００°Ｆ）で２分間のその温度での時間）した。次いで、この耳切りされ焼きなましされた熱間圧延バンドを、軽く噴射仕上げし、そして酸洗いし、そして次いで約１．５２ｍｍ（０．０６０インチ）、約０．６１ｍｍ（０．０２４インチ）、約０．２３ｍｍ（０．００９インチ）、そして最終的に約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）ゲージに冷間圧延した。それぞれの冷間圧延工程の間に、ストリップの縁の耳切りをし、次いで７６０℃（１４００°Ｆ）で２分間のその温度での時間の焼きなましを空気中で行った。

変更された化学成分のヒートＲＶ１６６３ないしＲＶ１６６６のそれぞれから製造された約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）の最終ゲージのストリップを、７６０℃（１４００°Ｆ）で２分間の最終焼きなましにかけ、そして金属顕微鏡試験に対して準備した。金属顕微鏡の試料は、１０−１０−１０の混合酸中で３秒間エッチングされ、そしてＮｉｋｏｎ Ｅｐｉｐｈｏｔ Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈを使用して試験された。更なる試料は、Ｍｕｒｉｋａｍｉの試薬で４５秒間エッチングされ、そしてＰｈｉｌｌｉｐｓ １Ｌ ＸＬ３０ＦＥＧ走査電子顕微鏡を使用して試験された。鋳造された状態のミクロ組織の検査は、ヒートＲＶ１６６３及びＲＶ１６６４からのインゴット中に形成された一次炭化物はヒートＲＶ１６６１中に形成されたものと大きさにおいて（殆んどが直径１マイクロメートル未満）同様であることを明らかにした。ヒートＲＶ１６６５及びＲＶ１６６６からのインゴット中に形成された一次炭化物はヒートＲＶ１６６３及びＲＶ１６６４のものより小さく、これは、部分的にヒートＲＶ１６６５及びＲＶ１６６６のより低い炭素含有量によるものであろう。

ＳＥＭを、更にヒートＲＶ１６６３−ＲＶ１６６６のそれぞれから製造された約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）ストリップの試料のミクロ組織（それぞれ図３〜６）を、慣用の高炭素のマルテンサイト系タイプ４２０ステンレス鋼の剃刀の刃の原料の試料のミクロ組織（図７）及び熱間圧延バンドから約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）に圧延されたミルヒート（ヒート０５７８６７）からの材料の試料のミクロ組織（図８）の両方と比較するために使用した。慣用のマルテンサイト系ステンレス鋼の概略の化学成分は、全て重量パーセントで０．８Ｍｎ、０．２Ｐ、０．４Ｓｉ、１３．３Ｃｒ、０．１Ｎｉ、０．０３Ｍｏ、０．００６Ｃｂ、０．００１Ｔｉ、０．０００６Ｂ、０．７Ｃ、０．００２Ｓ、及び０．０２８Ｎ₂であった。表５は、８０００×で画像化した場合の、それぞれの試料に対する１００ミクロン平方の面積中の炭化物粒子の測定された平均数を示す。表５は、更にＲＶ１６６１及びＲＶ１６６２材料に対する炭化物粒子の計数を示す。研究室及び工場（ミル）の熱処理材料のミクロ組織は、全て慣用のマルテンサイト系ステンレス鋼のそれと、二次炭化物の大きさ及び形状並びに炭化物の分布の均一さに関して有利に対比され、そしてそれぞれの実験の試料の炭化物濃度は、慣用的材料に対して計算された濃度に近似した。

変更されたヒートＲＶ１６６３−１６６６から製造された試料の上記の分析は、これら変更されたヒートの目標濃度の範囲のホウ素及び／又は窒素の濃度（残留物より多くそして０．２０重量％までの窒素、及び／又は残留物より多くそして０．００６重量％までのホウ素）は、二次炭化物の濃度、大きさ、形状、又は分布に著しく不利に影響せず、そして本発明によって研究される方法によって製造された材料中の一次炭化物の含有率を著しく増加させないことを示す。従って、慣用の剃刀の刃の材料より大きい濃度のホウ素及び／又は窒素を有する材料は、剃刀の刃用として適していると考えられる。

研究室及び工場のヒートの結果並びに材料の加工を考慮して、例えばタイプ４２０鋼のようなマルテンサイト系ステンレス鋼に適用する場合、図９に概略記載した方法を、剃刀の刃用に適したミクロ組織を生ずるために使用することができる。特に、タイプ４２０の化学成分を有する溶解物はＶＩＭ、ＡＯＤ又は他の適当な方法によって調製され、そしてインゴットに鋳造される。次の工程において、インゴットは、材料中の一次炭化物の大きさを減少し、そして更に一般的にはインゴット中の炭素の偏析及び移動を減少するためにエレクトロスラグで再溶解される。ＥＳＲは、更にインゴットの純度を増し、そしてインゴットの均質さを増加する。ＥＳＲに続く工程において、材料は、材料の無延性温度に近く、材料の固相線までの範囲の温度に加熱される。材料は、実質的に全ての一次及び集合した炭化物を溶解するために必要な時間その温度に維持される。適当な時間は、インゴットの大きさによって変化するものであり、そして時間及び温度も、最大の許容される一次炭化物粒子の大きさが変化する場合変更することができる。好ましくは、鋼は、その温度で少なくとも２時間保持されなければならない。材料が剃刀の刃用に使用される場合、高温の炭化物溶解工程に続いて、適当な一連の熱間及び冷間圧延工程が行われる。冷間圧延工程は、圧延中の破断及び過剰の浅割れを防止するために必要に応じて縁の耳切り及び焼きなましの組み合わせによって分離される。工場の実験において適用されたように、高温の炭化物溶解工程の前に、中間のスラブ厚みを得るために、１回又はそれ以上の熱間圧延工程を行うことができる。鋼の加工技術において使用される、表面の研削、酸洗い、耳切り、及び他の工程を、必要に応じて適用することができる。

従って、本発明は、実質的に一次の及び集合した一次炭化物を含まず、そして本明細書中で記載したような剃刀の刃用に対して適した、二次炭化物の大きさ、形状、及び分布を有するミクロ組織を持つタイプ４２０ステンレス鋼を製造するための方法を提供する。本発明は、更にタイプ４２０又は他のマルテンサイト系ステンレス鋼のヒートから、剃刀の刃用に対して適したゲージ（典型的には約０．２５ｍｍ（１０ミル）より薄い）のステンレス鋼のストリップを調製するための方法を提供する。本発明は、一定の態様に関して記載されてきたが、当業者は、上記の説明を考慮して、本発明の多くの改変及び変更を使用することができることを認識するであろう。特に、本発明の方法の上記の実施例は、必然的に制約された数の合金の化学成分に対して適用したが、本発明の方法は、例えばタイプ４２０マルテンサイト系ステンレス鋼のあらゆるものに、実質的に同様な結果を伴なって使用することができると考えられる。本発明の全てのこのような変更及び改変は、上記の説明及び特許請求の範囲によって介在されることを意図するものである。

ヒートＲＶ１６６２の材料の最終焼きなまし後の、約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）の厚みより僅か下の試料の光学顕微鏡写真（１５００×）である。 剃刀の刃用に商業的に使用される慣用の材料の試料の光学顕微鏡写真（１５００×）である。 約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）ゲージに加工されたヒートＲＶ１６６３からの材料の試料のＳＥＭ顕微鏡写真（８０００×）である。 約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）ゲージに加工されたヒートＲＶ１６６４からの材料の試料のＳＥＭ顕微鏡写真（８０００×）である。 約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）ゲージに加工されたヒートＲＶ１６６５からの材料の試料のＳＥＭ顕微鏡写真（８０００×）である。 約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）ゲージに加工されたヒートＲＶ１６６６からの材料の試料のＳＥＭ顕微鏡写真（８０００×）である。 剃刀の刃用に使用される慣用のステンレス鋼の試料のＳＥＭ顕微鏡写真（８０００×）である。 熱間圧延バンドから、約０．０７６ｍｍ（０．００３インチ）のゲージに圧延されたミルヒート０５７８６７からの材料の試料のＳＥＭ顕微鏡写真（８０００×）である。 剃刀の刃の材料としての適用に対して適したマイクロ組織を有するマルテンサイト系ステンレス鋼を製造するための本発明の方法の略図である。

Claims (15)

1. マルテンサイト系ステンレス鋼からなる材料を調製する方法であって、前記方法が；
   ステンレス鋼を用意し、ここで該ステンレス鋼が、全てが鋼の全重量に基づいた重量パーセントで：
   ０．１５ないし０．７０の炭素；
   ０．４５ないし１．０のマンガン；
   ０．２０ないし１．０のケイ素；
   １２．０ないし１４．０のクロム；
   ０ないし０．０２５のリン
   ０ないし０．０２０の硫黄
   ０．０００２ないし０．００６のホウ素及び０．０２ないし０．２０の窒素のうち少なくとも一つ；
   ０ないし０．５０のニッケル；及び
   残部の鉄と不可避な不純物
   からなり；
   前記鋼をエレクトロスラグ再溶解処理によって溶解して、再溶解した鋼のインゴットを得て；
   前記再溶解鋼のインゴットを、再溶解鋼中で形成し得る炭化物の全てが溶解する最低の温度以上であって且つ再溶解鋼の無延性温度以下の温度まで加熱し、そして前記温度を前記再溶解鋼中の１５マイクロメートルより大きい長さの炭化物粒子が溶解するのに充分な時間維持すること、ここで前記再溶解鋼を加熱することが、前記再溶解鋼を少なくとも１２６０℃（２３００°Ｆ）の温度まで加熱することを含み、そして前記無延性温度は、材料の試料を次の条件下の張力にかけた場合にゼロの伸びを示す温度である：長さ１０．８ｃｍ（４．２５インチ）、直径６．３５ｍｍ（０．２５インチ）の材料の円柱形の棒を、５５．６℃（１００°Ｆ）/秒で試験温度まで加熱し、温度を６０秒間保持し、そして１２７ｍｍ（５インチ）/秒のクロスヘッド分離速度で破断するまで引っ張る；
   を含む、前記方法。
2. 前記鋼をエレクトロスラグ再溶解処理によって溶解する工程が：
   スラグを収容した容器を用意し；
   前記容器中のスラグに前記鋼を接触させ；
   少なくとも前記鋼及び前記スラグを含む回路を通して電流を流して、前記鋼及び前記スラグを電気抵抗によって加熱し、そして前記鋼を前記スラグとの接触点で溶解し、これによって再溶解鋼の複数の液滴を形成し；そして
   加熱されたスラグ中を前記再溶解鋼の複数の液滴が通過するようにすること；
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記再溶解鋼を加熱することが、前記再溶解鋼を１３１６℃（２４００°Ｆ）以下の温度で加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記再溶解鋼を加熱することが、前記再溶解鋼を、少なくとも２時間、１２６０℃（２３００°Ｆ）以上で１３１６℃（２４００°Ｆ）以下の温度で加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記再溶解鋼を加熱することが、前記再溶解鋼を、１２６０℃（２３００°Ｆ）以上で１２８８℃（２３５０°Ｆ）以下の温度で加熱することを含む、請求項４に記載の方法。
6. 鋼を用意する工程が、全てが鋼の全重量に基づいた重量パーセントで：
   ０．６５ないし０．７０の炭素；
   ０ないし０．０２５のリン；
   ０ないし０．０２０の硫黄；
   ０．２０ないし０．５０のケイ素；
   ０．０００２ないし０．００６のホウ素及び０．０２ないし０．２０の窒素のうち少なくとも一つ；
   ０．４５ないし０．７５のマンガン；
   １２．７ないし１３．７のクロム；
   ０ないし０．５０のニッケル；及び
   残部の鉄と不可避的な不純物；
   からなるステンレス鋼を用意することを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記鋼が、０．０００４ないし０．００６重量パーセントのホウ素及び０．０３ないし０．２０重量パーセントの窒素の少なくとも一つを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記鋼が、０．０００４より多く、０．００６重量パーセントまでのホウ素を含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記鋼が、０．０３より多く、０．２０重量パーセントまでの窒素を含む、請求項６に記載の方法。
10. 前記溶解鋼を加熱することに続いて、更に：
    前記鋼の厚みを０．２５ｍｍ（１０ミル）より薄いゲージに減少すること；
    を含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記鋼の厚みを減少することが、鋼に対して複数回の圧延による圧下及び複数回の焼きなましを適用することを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記溶解鋼の加熱に先立って、更に：
    前記溶解鋼を１２１８℃（２２２５°Ｆ）ないし１２４６℃（２２７５°Ｆ）に加熱し、そしてこの温度で少なくとも１時間保持し；
    中間のゲージまで熱間圧延し；そして
    焼きなましして、応力を除去すること；
    を含む、請求項１０に記載の方法。
13. マルテンサイト系ステンレス鋼からなる材料を調製する方法であって、前記方法が：
    ステンレス鋼を用意し、ここで該ステンレス鋼が、全てが鋼の全重量に基づいた重量パーセントで：
    ０．１５ないし０．７０の炭素；
    ０．４５ないし１．０のマンガン；
    ０．２０ないし１．０のケイ素；
    １２．０ないし１４．０のクロム；
    ０ないし０．０２５のリン
    ０ないし０．０２０の硫黄
    ０．０００２ないし０．００６のホウ素及び０．０２ないし０．２０の窒素のうち少なくとも一つ；
    ０ないし０．５０のニッケル；及び
    残部の鉄と不可避の不純物
    からなり；
    前記鋼をエレクトロスラグ再溶解処理によって溶解して、溶解鋼のインゴットを得て；
    前記インゴットを圧延して、インゴットの厚みを少なくとも５０％減少し；そして
    前記再溶解鋼のインゴットを、再溶解鋼中で形成し得る炭化物の全てが溶解する最低の温度以上であって且つ再溶解鋼の無延性温度以下の温度まで加熱し、そして前記温度を前記再溶解鋼中の１５マイクロメートルより大きい長さの炭化物粒子が溶解するのに充分な時間維持すること、ここで前記再溶解鋼を加熱することが、前記再溶解鋼を少なくとも１２６０℃（２３００°Ｆ）の温度まで加熱することを含み、そして前記無延性温度は、材料の試料を次の条件下の張力にかけた場合にゼロの伸びを示す温度である：長さ１０．８ｃｍ（４．２５インチ）、直径６．３５ｍｍ（０．２５インチ）の材料の円柱形の棒を、５５．６℃（１００°Ｆ）/秒で試験温度まで加熱し、温度を６０秒間保持し、そして１２７ｍｍ（５インチ）/秒のクロスヘッド分離速度で破断するまで引っ張る；
    を含む、前記方法。
14. 前記再溶解鋼を加熱することが、前記再溶解鋼を、少なくとも２時間、１２６０℃（２３００°Ｆ）以上で１３１６℃（２４００°Ｆ）以下の温度で加熱することを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記鋼をエレクトロスラグ再溶解処理によって溶解することが：
    スラグを収容した容器を用意し；
    前記容器中の前記スラグに前記鋼を接触させ；
    少なくとも前記鋼及び前記スラグを含む回路を通して電流を流して、前記鋼及び前記スラグを電気抵抗によって加熱し、そして前記鋼を前記スラグとの接触点で溶解し、これによって再溶解鋼の複数の液滴を形成し；そして
    加熱されたスラグ中を前記再溶解鋼の複数の液滴が通過するようにすること；
    を含む、請求項１３に記載の方法。